浅谈高速铁路供电系统的现状及趋势技术

摘 要：针对当前在高速铁路建设过程之中的供电系统建设现状进行了介绍，分析了当前高速铁路供电系统的建设和设计特点，论述了供电系统的发展趋势。

关键词：高速铁路；供电系统；建設现状；发展趋势

1 高速铁路供电系统的建设特点

在高速铁路的建设优化之中，技术人员首先需要了解供电系统的主要功能。高速铁路供电系统在实际运行之中的主要工作包括牵引供电、生产及生活用电、供水用电、照明用电等多方面的内容，对于高速铁路列车的正常运行和安全运行有着不可替代的作用。一旦高速铁路的供电系统出现故障就会严重影响其运行过程。在实际设计过程之中，高速铁路的供电系统具有如下的特点：第一，系统电压等级较低。高速铁路运行过程之中，列车对于供电系统的电压要求较低，就当前我国的高速铁路建设来讲，大部分高速列车的供电电压都在10-35kV之间，同时为了方便建设，供给铁路电压的变电所结构都较为简单，且由于其供应目标仅仅是高速铁路列车，因此供电负荷较小。第二，供电系统的线路设计形式简单。在设计之中为了方便使用和检修，高速铁路供电系统的线路设计一般较为简单，当前我国的铁路系统之中一般使用单一辐射状网络。为了方便列车行驶过程之中的供电，用于铁路供电的变电所一般按照铁路的运行方向进行布置和链接，共同形成供电网络。在这种链接模式之下，供电系统的接线方式包括直闭线和贯通线两种形式。通过连接线的布置可以实现变电所之间的互相链接，提升高速铁路的运行质量。第三，供电系统的设计稳定性要求较高。高速铁路在运行之中首先需要保证供电系统的稳定性，在供电线路设计之中，尽管配电线路的设计较为简单，但是为了供电过程之中断电时间不得超过150s，否则就会影响列车的正常使用，造成运行安全隐患。

2 供电技术介绍

2.1 电力系统匹配技术

由于高速铁路列车在运行过程之中牵引的负荷较大，行车密度较高，且对于供电系统的运行稳定性有较高的要求，为了保证供电容量，一般在实际设计之中会使用高速铁路牵引供电负荷来保护电网免受端电网的影响。为了保证高速铁路的运行安全性，在共用电网的设计之中必须保证其具有足够的匹配能力，满足高速铁路对于供电系统的要求，因此，在实际的设计和建设过程之中应当从高速铁路的牵引供电系统所对应的共用电网的短路容量和电源支撑能力进行设计和调整，系统性的研究牵引供电原理和电网的相互作用原理，提高高速铁路供电系统以及公共电力系统之间匹配性。高速铁路的供电系统需要较好的匹配技术来避免列车运行对供电网络带来的冲击问题，在我国的高速铁路建设过程之中，作为牵引单元的机车和地面供电装置之间的供电接口规定了供电系统和牵引单元之间的设计原则以及协调特性。公共供电网络的电力供应范围较大，由于高速铁路的牵引供电对于一系列供电变电所都有电力供应损伤的需求，在进行匹配性研究和设计的过程之中可以使用仿真实验的形式来分析供电系统的运行状态，并根据实验结果来合理设计供电系统的电力匹配特性。

2.2 牵引供电系统

高速铁路在运行过程之中具有运行速度高、运行负荷大、运行间隔时间较短的特点，为了保证列车的受电弓和牵引供电系统有较好的接触，在实际设计过程之中需要对牵引供电系统的设计进行改良。高速铁路的牵引供电系统的结构主要包括牵引变电所和接触网；两个部分，其主要的设计目的是实现在运行过程之中供电质量的目的，因此，系统设计要满足高速铁路牵引负荷的特点。接触网作为列车牵引供电系统的主要电力来源，供电质量直接影响；列车的运行速度和运行的稳定性，动车组在运行的过程之中会在受电弓和接触导线的接触状态之下获取电能，为动车的运行以及车内电器提供电能。要保证接触良好，即要求在设计之中弓网的振动小，在列车运行过程之中不会出现较大的冲击。为了实现弓网之间的良好接触性，我国在高速铁路建设之中一般会根据不同的运行速度来对接触网的悬挂设计进行优化。在弓网关系的设计优化过程之中，国家的列车建设标准对于受电弓和接触网之间的匹配性能有一定的设计要求，标准包括弓网相互作用的测量对象和要求、弓网相互作用的模型组成、仿真数据和测试验证数据的要求以及两者的对比评定等内容。弓网相互作用是通过测量接触力、位移和电弧3项参数，确定弓网接触效果。

2.3 牵引供电系统防雷设计

雷电直击会影响铁路系统的电压供应。当铁路信号系统的周边变电所受到雷电直击时，由于预先的接地处理，外部的避雷网或是接地网络会将直接雷击约50%的能量引入地面，同时，供电系统可以分流大约40%的雷电能量，剩余的雷击能量一般是由信号楼之中的电缆以及金属管道等进行分流。在实际发生雷电直击时，电源线路和管线的设计结构会影响雷击能量的分配情况，当内部线路设计不当时，会造成雷击产生的过电压直接进入设备的内部，造成设备内部电路的损坏。在铁路电力设备的保护过程之中，最为主要的防治措施还是防雷设备的安装和使用。当前使用较多的防雷设备主要是避雷针、避雷线以及避雷网，避雷针的使用最广，在一些大型建筑、山区的信号塔以及面积较小的建筑物上都有使用，可以起到较好的防护作用。

目前我国正在开展高速铁路雷电防护的研究和牵引供电系统与动车组间绝缘配合的研究，相关标准尚不完善，而在建的高速铁路有相当线路区段处在多雷区和雷电活动特殊强烈地区，因此，若不能掌握雷电对高速铁路系统的危害并采取相应的措施，则有可能严重威胁高速铁路的运营安全。为了开展牵引供电系统雷电过电压防护方法的研究，高速铁路牵引供电系统的雷电防护研究，今后应深入调查分析既有线路的雷电事故，建立分析计算模型，计算牵引供电系统直击雷电过电压和感应雷电过电压，在工程实际中监测接触网雷电过电压波形及雷击故障点位置；利用覆盖铁路沿线走廊的地面雷电监测系统，根据雷电活动资料进行差异化防雷设计；研究雷害防护装置，分析雷害防护的动作方式和作用机理，在雷害严重的地区，检验既有防雷措施的有效性、可行性和合理性，根据研究成果提出改进措施，形成适合我国电气化铁路牵引供电系统的雷害防护指南。制定牵引供电系统的雷电防护标准是高速铁路面临的关键技术。我国牵引供电系统缺乏整体雷电防护相关标准，应在研究的基础上，制定相关标准。目前，各铁路设计单位正在研究，通过理论设计、试验研究、实际检验，确定了接触网专用避雷器和绝缘子并联间隙。

结束语

我国应建立适合国情的高速铁路牵引供电系统综合电力负荷模型、接触网-受电弓耦合系统模型，通过接触网雷电事故风险评估以及接触网短路工频电弧运动规律的研究等，为制定高速铁路牵引供电系统标准奠定坚实的理论与技术基础。

参考文献

[1]于万聚.高速电气化铁路接触网[M].成都：西南交通大学出版社，2003：15-26.

[2]李学武.电气化铁路牵引供变电技术[M].北京：化学工业出版社，2012：193.

[3]世界高速铁路发展趋势[J].世界商业报道，2013（10）：201-203.

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